俄罗斯团队提出NICA对撞机紧凑型“西伯利亚蛇”设计 用于控制质子极化

莫斯科物理技术学院和联合核子研究所的专家为俄罗斯NICA对撞机提出一种紧凑型“西伯利亚蛇”磁场装置设计。该装置采用横向磁场，目标是在质子加速至最高13.5吉电子伏特过程中保持其自旋方向，并在实验期间控制极化方向。相关质子极化数值模拟显示，该设计可有效抑制束流退极化。

俄罗斯NICA加速器综合体 莫斯科物理技术学院新闻处

在加速器中，质子束沿闭合轨道运动，粒子自旋会围绕特定旋转轴进动。当束流达到某些能量时，自旋可能与环形结构中的周期性磁扰动发生共振，造成束流去极化;若缺少专门控制手段，实验所需的束流极化状态将难以维持。

NICA对撞机自旋物理探测器开展自旋极化研究，需要矢量极化度大于80%、亮度最高达到10³² cm⁻² s⁻¹的束流。同时，系统还需支持实验过程中粒子自旋快速翻转，以降低由探测器不对称性和加速器结构缺陷引起的系统误差。

作为NICA自旋极化研究基础设施的一部分，研究团队正在发展“自旋透明”方法。该方法通过在对撞机相对区域设置相同的“西伯利亚蛇”结构，使粒子自旋旋转180度，从而削弱结构偶极磁体对束流极化的影响;再配合弱磁场“自旋导航器”稳定自旋动力学，以获得探测器所需的极化方向。

杜布纳NICA加速器综合体的示意图。“西伯利亚蛇”位于对撞机环的特殊直线段

研究人员曾考虑在加速器光学结构中安装基于螺线管的“西伯利亚蛇”，但这类方案的纵向场积分需与粒子动量成正比，对安装空间提出较高要求。相比之下，横向场“西伯利亚蛇”的场积分几乎不随能量变化，更适合高能和超高能应用。

在AGS同步加速器和RHIC对撞机上观测到的西伯利亚螺旋蛇

研究团队在论文中提出，以一组磁场方向交替的常规超导偶极磁体替代复杂螺旋磁体。该方案可在低能条件下减小轨道偏差：在3.5吉电子伏特时，轨道偏差约为4厘米，能够保持在磁体孔径范围内。作为对比，类似螺旋磁体方案若用于NICA，在3.5吉电子伏特时轨道偏差可能达到20厘米，超过对撞机磁体孔径。

基于偶极“西伯利亚蛇”和纵向极化导航器稳定技术，研究人员对NICA对撞机自旋透明模式下质子加速过程中的自旋动力学进行了数值模拟。结果显示，在加速至13.5 GV过程中，束流纵向自旋分量偏差不超过5%，表明该偶极磁体方案可在NICA整个工作能量范围内抑制共振退极化。

相关研究成果已发表于《电磁物理快报》，并获得俄罗斯科学基金会项目资助。研究人员表示，与螺旋“西伯利亚蛇”结构相比，基于标准偶极磁体的方案有助于降低低能量下的孔径限制，使装置更紧凑、结构更简单，并为NICA开展极化质子精密自旋研究提供技术路径。